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JP2013011039A - Device for producing carbon nanotube continuous fiber and producing method thereof - Google Patents

Device for producing carbon nanotube continuous fiber and producing method thereof Download PDF

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JP2013011039A
JP2013011039A JP2011145445A JP2011145445A JP2013011039A JP 2013011039 A JP2013011039 A JP 2013011039A JP 2011145445 A JP2011145445 A JP 2011145445A JP 2011145445 A JP2011145445 A JP 2011145445A JP 2013011039 A JP2013011039 A JP 2013011039A
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JP
Japan
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cnt
continuous fiber
carbon nanotube
sliver
continuous
Prior art date
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Withdrawn
Application number
JP2011145445A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Junji Sanada
淳二 真多
Yoshihiro Kawahara
好宏 河原
Tamotsu Suzuki
保 鈴木
順 ▲たか▼木
Jun Takagi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a practical device for stably and continuously producing a carbon nanotube continuous fiber.SOLUTION: A device for producing a carbon nanotube continuous fiber comprises: a tubular reactor 2 for continuously synthesizing a carbon nanotube from a carbon source, a catalyst and a carrier gas by use of flow gas phase CVD method; a cylindrical body 12 having an inner diameter within a range of 0.1-0.5 times as large as that of the tubular reactor, the cylindrical body being disposed downstream the tubular reactor; a pair of belt nip twisters 410 for twisting and feeding a sliver of carbon nanotube while sandwiching the sliver, which is continuously drawn from the tubular reactor; and a winding device 500 for continuously winding up the carbon nanotube continuous fiber thus obtained.

Description

本発明は、カーボンナノチューブ連続繊維の製造装置およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a carbon nanotube continuous fiber manufacturing apparatus and a manufacturing method thereof.

カーボンナノチューブ(以下、CNTと称す。)は21世紀の新素材として脚光をあびているが、大量に連続生産する技術や、CNTからなる連続繊維を連続して安全に製造する実用的な技術は、下記するようにまだ確立されていない。   Carbon nanotubes (hereinafter referred to as CNTs) are attracting attention as a new material in the 21st century. However, technologies for continuous mass production and practical technologies for continuously and continuously producing continuous fibers made of CNTs are as follows: It has not yet been established as described below.

すなわち、基板CVD法により基板上にブラシ状に成長させたCNTから、CNT側面方向にCNTを順に剥がしてこれに撚りをかけてCNT繊維を得る方法が特許文献1に示されている。しかし、CNTは基板上にのみ合成されているため、1枚の基板から得られるCNT連続繊維の長さには限りがあるため、CNT連続繊維の製造方法としては実用的でない。   That is, Patent Document 1 discloses a method in which CNTs are sequentially peeled from CNTs grown in a brush shape on a substrate by a substrate CVD method, and CNT fibers are twisted to obtain CNT fibers. However, since the CNT is synthesized only on the substrate, the length of the CNT continuous fiber obtained from one substrate is limited, so that it is not practical as a method for producing the CNT continuous fiber.

また、CNTの連続合成が可能な流動気相CVD法を用いてCNT繊維を得る方法が特許文献2および特許文献3に示されている。本合成法ではCNTの原料となる炭素源と触媒を反応系内に連続的に投入することで連続合成が可能ではある。しかし、反応炉内に設けた横向きのネジ棒にCNTを巻き取る特許文献2の方法も、合成炉に直結させたチャンバー内でスピンドルとスプールを用いてCNT繊維を巻き取る特許文献3の方法も、巻き取った後にCNT繊維を系外に取り出すバッチ式製造方法であり、連続繊維の製造には不向きである。   Further, Patent Document 2 and Patent Document 3 show methods for obtaining CNT fibers by using a fluidized vapor phase CVD method capable of continuous synthesis of CNTs. In this synthesis method, continuous synthesis is possible by continuously introducing a carbon source and a catalyst as raw materials for CNT into the reaction system. However, both the method of Patent Document 2 in which CNT is wound around a horizontal screw rod provided in the reaction furnace, and the method of Patent Document 3 in which CNT fibers are wound using a spindle and a spool in a chamber directly connected to the synthesis furnace. This is a batch-type production method in which CNT fibers are taken out of the system after being wound, and is not suitable for producing continuous fibers.

さらに、カーボンナノファイバーのスライバー状糸を、流動気相CVD法を用いて連続的に合成し、系外へ取り出す方法が特許文献4に示されている。しかし、実施例等の記載からすると、該特許文献4に記載の糸はあくまでも嵩密度の小さなスライバー状糸であると言え、しっかり加撚された繊維ではない。   Furthermore, Patent Document 4 discloses a method of continuously synthesizing sliver-like yarns of carbon nanofibers using a fluidized gas phase CVD method and taking them out of the system. However, from the description of Examples and the like, it can be said that the yarn described in Patent Document 4 is a sliver-like yarn having a small bulk density, and is not a firmly twisted fiber.

また、CNT生成工程と連続繊維化工程を直結させたCNT連続繊維の製造方法が特許文献5に示されており、CNTを排出ガスと分離して反応炉から引き出して繊維にするとともに、その際にリングツイスターで加撚する方法が示されている。しかし、リングツイスターを用いての加撚にあたっては、強度の小さい状態の繊維状物にテンションをかけながらボビンに巻き取るため、CNT連続繊維の安定生産には糸切れ発生率を下げるなどの改善の余地がある。   Further, Patent Document 5 discloses a method for producing a continuous CNT fiber in which a CNT generation process and a continuous fiberization process are directly connected, and the CNT is separated from exhaust gas and drawn from a reaction furnace into a fiber. Shows a method of twisting with a ring twister. However, when twisting with a ring twister, it is wound on a bobbin while applying tension to a fibrous material with a low strength. There is room.

そして、流動気相CVD法により、直径が2nm以下の極細単層CNTからなる炭素繊維集合体を得る方法が特許文献6に開示されているが、連続繊維に関する開示はない。   And although the method of obtaining the carbon fiber aggregate | assembly which consists of ultrafine single layer CNT whose diameter is 2 nm or less by the fluidized-phase CVD method is disclosed by patent document 6, there is no disclosure regarding continuous fiber.

また、高分子材料中にCNTを導入した高分子繊維が特許文献7に示されているが、あくまでも母材となる高分子の材料特性を改良するものであり、CNT連続繊維とは異質のものである。   Moreover, although the polymer fiber which introduce | transduced CNT in the polymer material is shown by patent document 7, it improves the material characteristic of the polymer used as a base material to the last, and is different from a CNT continuous fiber. It is.

一方、合成繊維の延伸仮撚加工の撚り掛け法として知られているニップツイスターが特許文献8に示されているが、もっぱら既存の繊維を加工する装置として考案されており、新規な繊維材料であるCNTへの適用は開示されていなかった。また、該ニップツイスターとCNT合成装置とを組み合わせても、適切なCNTの供給方法が存在しなかったので、CNT連続繊維を形成できるものではなかった。   On the other hand, although a nip twister known as a twisting method for drawing false twisting of synthetic fibers is shown in Patent Document 8, it has been devised exclusively as an apparatus for processing existing fibers, and is a novel fiber material. Application to certain CNTs was not disclosed. Further, even when the nip twister and the CNT synthesizer are combined, an appropriate CNT supply method does not exist, so that a CNT continuous fiber cannot be formed.

このようにCNT連続繊維を、安定して連続的に、かつ安全で実用的に製造する方法は未だ見いだされていない。   Thus, no method has yet been found for producing CNT continuous fibers stably and continuously, safely and practically.

特表2008−517182号公報Special table 2008-517182 特表2007−536434号公報Special table 2007-536434 gazette 特表2009−509066号公報Special table 2009-509066 gazette 特開2001−115348号公報JP 2001-115348 A 特開2010−65339号公報JP 2010-65339 A 特開2006−213590号公報JP 2006-213590 A 特表2002−544356号公報Japanese translation of PCT publication No. 2002-544356 特開平06−184848号公報Japanese Patent Laid-Open No. 06-184848

本発明は、実用に供しうるCNT連続繊維を安定的に製造できる装置および方法を提供することを目的とする。   An object of this invention is to provide the apparatus and method which can manufacture stably the CNT continuous fiber which can be used for practical use.

前記課題を解決するために本発明者らが鋭意検討した結果、安定的にCNT連続繊維を得るために以下の発明に到達した。
(1) 流動気相CVD法によって炭素源と触媒とキャリアガスとから連続的にカーボンナノチューブを合成する管状反応炉と、該管状反応炉の下流側に設けられた、内径が、管状反応炉の内径の0.1〜0.5倍の範囲の筒状体と、該筒状体の下流側に設けられた、管状反応炉内から連続的に引き出したカーボンナノチューブのスライバーを挟持しながら加撚してカーボンナノチューブ連続繊維を送り出す一対のベルトを備えたベルトニップツイスターと、得られたカーボンナノチューブ連続繊維を連続的に巻き取る巻取装置とを備えたカーボンナノチューブ連続繊維の製造装置。
(2) 前記筒状体の下流側端部に反応炉から排出されるガスの排気フードを備え、該排気フードは、大気の導入口と、導入される大気と前記ガスとを併せて吸引排気する手段を備えている、前記(1)に記載のカーボンナノチューブ連続繊維製造装置。
(3) 前記(1)または(2)に記載の装置を用いるカーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。
(4) 管状反応炉内部の温度よりも低温になっている糸かけ棒の端部を管状反応炉に挿入し、管状反応炉内部のスライバー状カーボンナノチューブに接触させ、かつ、該糸かけ棒の他の部分をベルトツイスターで挟持しながら回転および送り出しすることによって、スライバー状カーボンナノチューブをベルトニップツイスターへ誘導してカーボンナノチューブ連続繊維の製造を開始する、前記(3)に記載のカーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。
(5) 前記(1)または(2)に記載の製造装置または前記(3)または(4)に記載の製造方法によって得られたカーボンナノチューブ連続繊維。
As a result of intensive studies by the present inventors in order to solve the above problems, the inventors have reached the following invention in order to stably obtain CNT continuous fibers.
(1) A tubular reactor for continuously synthesizing carbon nanotubes from a carbon source, a catalyst, and a carrier gas by a fluidized gas phase CVD method, and an inner diameter provided on the downstream side of the tubular reactor, Twisting while sandwiching a cylindrical body having a diameter in the range of 0.1 to 0.5 times the inner diameter, and a sliver of carbon nanotubes continuously provided from the tubular reactor provided downstream of the cylindrical body An apparatus for producing continuous carbon nanotube fibers, comprising: a belt nip twister having a pair of belts for feeding out continuous carbon nanotube fibers; and a winding device for continuously winding the obtained continuous carbon nanotube fibers.
(2) An exhaust hood for the gas discharged from the reaction furnace is provided at the downstream end of the cylindrical body, and the exhaust hood sucks and exhausts the atmosphere inlet, the atmosphere to be introduced, and the gas together. The carbon nanotube continuous fiber manufacturing apparatus according to (1), further comprising:
(3) A method for producing a continuous carbon nanotube fiber using the apparatus according to (1) or (2).
(4) Inserting the end of the threading rod, which is lower than the temperature inside the tubular reactor, into the tubular reactor, contacting the sliver-like carbon nanotube inside the tubular reactor, The carbon nanotube continuous fiber according to (3), wherein the sliver-like carbon nanotubes are guided to the belt nip twister by rotating and feeding while the other part is sandwiched by the belt twister to start the production of the carbon nanotube continuous fiber. Manufacturing method.
(5) A carbon nanotube continuous fiber obtained by the production apparatus according to (1) or (2) or the production method according to (3) or (4).

なお、本発明においてCNT連続繊維とは、1本の直径が0.6nmから数10nmのCNTの単糸または束状体をマクロに集束させて、例えば太さ数マイクロメートル以上に加工した実用に供する連続した繊維をいう。   In the present invention, the CNT continuous fiber is practically used in which a single filament or bundle of CNTs having a diameter of 0.6 nm to several tens of nm is macro-focused and processed to a thickness of several micrometers or more, for example. This refers to continuous fibers that are provided.

本発明の装置によれば、CNT連続繊維を安定的に得ることができる。特に、少ない工程で、軽量・高強度・高伝導度となる工業材料としてのCNT連続繊維を、効率的かつ安価に大量生産でき、得られたCNT連続繊維は、例えば高効率発光素材、軽量導線(軽量モータ、発電機)、軽量導電ケーブル(送電線、深海ケーブル等)などに適用することができる。   According to the apparatus of the present invention, CNT continuous fibers can be obtained stably. In particular, CNT continuous fiber as an industrial material that is lightweight, high strength, and high conductivity can be mass-produced efficiently and inexpensively with a small number of processes. (Light motors, generators), lightweight conductive cables (power transmission lines, deep sea cables, etc.), etc.

本発明の一実施形態を示すCNT連続繊維の製造装置の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the manufacturing apparatus of the CNT continuous fiber which shows one Embodiment of this invention. 図1における分離部300の部分拡大断面図であるIt is a partial expanded sectional view of the isolation | separation part 300 in FIG. ベルトニップツイスターの上面図と側面図である。It is the upper side figure and side view of a belt nip twister. 巻取部の概略図である。It is the schematic of a winding part. 図1における分離部300の他の態様を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other aspect of the isolation | separation part 300 in FIG. 図1における分離部300の他の態様を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows the other aspect of the isolation | separation part 300 in FIG. 比較例5で用いた装置の概略断面図である。10 is a schematic cross-sectional view of an apparatus used in Comparative Example 5. FIG.

本発明の装置は、管状反応炉内にキャリアガスとともに投入される炭素源と触媒から、流動気相CVD法によって連続的にCNTを合成し、炉内で形成したスライバー状CNTからCNT連続繊維を製造する装置であって、スライバー状CNTを挟持しながら撚り掛けするとともに送り出す一対のベルトニップツイスターを備えたCNT連続繊維製造装置である。   The apparatus of the present invention continuously synthesizes CNTs by a fluidized gas phase CVD method from a carbon source and a catalyst introduced together with a carrier gas into a tubular reactor, and continually CNTs fibers from sliver-like CNTs formed in the furnace. An apparatus for manufacturing, which is a CNT continuous fiber manufacturing apparatus provided with a pair of belt nip twisters that twists and feeds sliver-like CNTs while sandwiching them.

CNTの合成方法には、大別してアーク放電法、レーザー蒸発法、CVD法(化学的気相成長法の略称)の3種類があり、CVD法はさらに、触媒が気流に乗って反応系内に投入される流動気相CVD法と、触媒が反応系内の基板等に固定されている基板CVD法との2つに大きく分けられる。これらの合成方法のうち、流動気相CVD法は、原料となる触媒と炭素源を噴霧しながら連続して供給し、CNTを連続して合成できることからCNTを連続生産するのに最も適した方法である。一方で、基板CVD法、アーク放電法、レーザー蒸発法は、バッチごとの合成であるため連続生産には不向きである。したがって本発明では流動気相CVDが好ましく用いることができる。   There are roughly three types of CNT synthesis methods: arc discharge method, laser evaporation method, and CVD method (abbreviation of chemical vapor deposition method). The CVD method further includes a catalyst in the reaction system that rides in an air stream. There are roughly two types: a flowing gas phase CVD method and a substrate CVD method in which a catalyst is fixed to a substrate or the like in a reaction system. Among these synthesis methods, the fluidized gas phase CVD method is the most suitable method for continuous production of CNT because it can continuously synthesize CNT by continuously supplying the raw material catalyst and carbon source while spraying. It is. On the other hand, the substrate CVD method, the arc discharge method, and the laser evaporation method are unsuitable for continuous production because they are synthesized for each batch. Therefore, in the present invention, fluidized gas phase CVD can be preferably used.

流動気相CVD法では、CNTの連続生産に適している一方で、キャリアガスとして大気ではなくアルゴンや水素などのガスを用いることが多いことから、これらのキャリアガスを分離しながら合成されたCNTを取り出すことが好ましい。そこで、本発明者らが鋭意検討した結果、ベルトニップツイスターを備えたCNT連続繊維製造装置の発明に到達した。本発明にかかる装置によって、スライバー状CNTをキャリアガス雰囲気から大気中へと安全かつ安定して連続的に取り出すことができ、かつ、そのままCNT連続繊維を形成することが可能となった。   While the fluidized gas phase CVD method is suitable for continuous production of CNTs, CNTs synthesized while separating these carrier gases are often used instead of the atmosphere, such as argon or hydrogen, as the carrier gas. Is preferably taken out. Thus, as a result of intensive studies by the present inventors, the inventors have reached the invention of a CNT continuous fiber manufacturing apparatus equipped with a belt nip twister. With the apparatus according to the present invention, sliver-like CNTs can be continuously and safely taken out from a carrier gas atmosphere into the atmosphere, and CNT continuous fibers can be formed as they are.

本発明のCNT連続繊維は、例えば図1に示す装置を用いて製造される。図1に示す装置は、炭素源と触媒とキャリアガスとからカーボンナノチューブを生成する反応管2と電気炉1とからなる管状反応炉を備えた反応部200と、その下流側に設けられた、生成されたCNTをガスと粉塵から分離して取り出す分離部300と、取り出したCNTに撚りを加える加撚部400と、得られたCNT連続繊維の巻取部500とを備えている。CNTは反応部200における管状反応炉内で生成され、その後キャリアガスに分離部300の筒状体12へと誘導される。   The CNT continuous fiber of this invention is manufactured using the apparatus shown, for example in FIG. The apparatus shown in FIG. 1 is provided on the downstream side of a reaction section 200 including a tubular reaction furnace composed of a reaction tube 2 and an electric furnace 1 that generate carbon nanotubes from a carbon source, a catalyst, and a carrier gas. The separation part 300 which isolate | separates and takes out produced | generated CNT from gas and dust, the twist part 400 which twists the taken-out CNT, and the winding part 500 of the obtained CNT continuous fiber are provided. The CNTs are generated in a tubular reactor in the reaction unit 200 and then guided to the cylindrical body 12 of the separation unit 300 by the carrier gas.

反応部200から分離部300へと引き出されるCNTは、反応管2内で生成された最小単位のCNT1本1本がファンデルワールス力により束状に集合しているものであって、このCNT束1つの形状は、直径が約0.1μm以下、長さが少なくとも数10μm以上ある。図1の装置においては、この束の集合体(スライバー)を繊維状に凝集させながら連続的に引き出すことでCNT連続繊維を得るが、そのために、ベルトニップツイスター410を備えている。ベルトニップツイスター410により、CNT束のスライバーを一定の圧力で挟持することができるが、それによりスライバーを構成するCNT束同士が分子間力によって密着し、CNT連続繊維の強度向上に寄与する。また挟持すると同時に撚掛して送り出すため、連続繊維は加撚され、繊維の巻締効果によって引張強度が高まる。このようにして、カーボンナノチューブの短繊維が一回りも巻き付かない程度の細い直径の糸でも、連続したカーボンナノチューブの撚糸状連続繊維として、反応炉から直結して実用的かつシンプルな構成で取り出す事ができる。   The CNT pulled out from the reaction unit 200 to the separation unit 300 is one in which the CNTs of the smallest unit generated in the reaction tube 2 are gathered in a bundle by van der Waals force. One shape has a diameter of about 0.1 μm or less and a length of at least several tens of μm. In the apparatus of FIG. 1, continuous CNT fibers are obtained by continuously pulling out this bundle aggregate (sliver) while agglomerating into a fiber shape. For this purpose, a belt nip twister 410 is provided. The belt nip twister 410 can hold the sliver of the CNT bundle with a constant pressure. However, the CNT bundles constituting the sliver are brought into close contact with each other by intermolecular force, thereby contributing to the improvement of the strength of the CNT continuous fiber. Further, since the fibers are twisted and sent out at the same time as being sandwiched, the continuous fibers are twisted, and the tensile strength is increased by the winding effect of the fibers. In this way, even a yarn having a diameter so small that the carbon nanotube short fibers do not wrap around once is taken out as a continuous carbon nanotube twisted yarn-like continuous fiber directly from the reactor with a practical and simple configuration. I can do things.

ここで、ベルトニップツイスター410の詳細を図3に示す。ベルトニップツイスターは、ベルト41A、41Bからなる一対のベルトが、水平からある一定の角度で互いに対向・交差するように傾き、回転するように配置されているとともに、ベルト同士の接点、すなわちニップ点において、上部から供給される糸を下部へ送り出すと同時に、圧縮力と摩擦力を加えながら撚りをかけるように配置されている。   The details of the belt nip twister 410 are shown in FIG. The belt nip twister is arranged such that a pair of belts 41A and 41B are inclined and rotated so as to face each other and cross each other at a certain angle from the horizontal, and a contact point between the belts, that is, a nip point. , The yarn supplied from the upper part is sent out to the lower part, and at the same time, the yarn is arranged to be twisted while applying a compressive force and a frictional force.

詳しくは、ベルト41Aとベルト41Bが、交差角θとなるように、駆動プーリ42A、42Bならびにテンションプーリ43A、43Bによって、図3のように配置される。ここで駆動プーリ42A、42Bは、駆動モーターで駆動されるが、2つの駆動プーリ42A、42Bを単一のモーターでベルトあるいはギアを介して駆動してもよいし、それぞれにモーターを設置して駆動してもよい。   Specifically, the belt 41A and the belt 41B are arranged as shown in FIG. 3 by the drive pulleys 42A and 42B and the tension pulleys 43A and 43B so that the crossing angle θ is obtained. Here, the drive pulleys 42A and 42B are driven by a drive motor, but the two drive pulleys 42A and 42B may be driven by a single motor via a belt or gear, and a motor is installed in each. It may be driven.

1対のベルトの交差角θは、ニップ点を中心として上側のなす角度であり、θは60°〜120°であることが好ましい。より好ましくは80°〜100°であるが、これに限定されない。交差角θは所望の撚糸形状から設定されるものであり、糸の下方への送り速度と、撚り数との関係から決めることができる。なお、交差角θは、ブラケット44A、44Bを、45A、45Bを軸として回動させ調整する。また、それぞれのベルトの、水平方向からのなす角度、および回転数は異なっていても良いが、通常は同一であることが好ましい。   The crossing angle θ of the pair of belts is an angle formed on the upper side with respect to the nip point, and θ is preferably 60 ° to 120 °. More preferably, it is 80 ° to 100 °, but is not limited thereto. The crossing angle θ is set from a desired twisted yarn shape, and can be determined from the relationship between the yarn feed speed and the number of twists. The crossing angle θ is adjusted by rotating the brackets 44A and 44B around the axes 45A and 45B. Further, the angle formed by each belt from the horizontal direction and the number of rotations may be different, but it is usually preferable that they are the same.

ニップ点の位置座標は、中心軸が鉛直方向に設けられた反応管2の該中心軸の真下であることが好ましいが、供給されるスライバー状CNTが糸切れを起こさない限り、前後左右に偏心していても構わない。   The position coordinate of the nip point is preferably directly below the central axis of the reaction tube 2 provided with the central axis in the vertical direction. You do n’t mind.

ベルトの走行方向は、CNTのスライバーを送りながら撚るような図3の矢印の方向であり、ニップ点を通過するときのベルトの上下方向のベクトルが下向きとなるように走行させる。   The running direction of the belt is the direction of the arrow in FIG. 3 that twists while feeding the CNT sliver, and the belt is run so that the vertical vector of the belt when passing through the nip point is downward.

テンションプーリ43A、43Bなどには、ベルトに適正なテンションを与えるためテンション調整機構を持たせることが望ましい。テンション調整機構を設けない場合は、ベルトの素材をウレタンゴムなどの伸縮性に富んだものを用いることが好ましい。   The tension pulleys 43A, 43B and the like are desirably provided with a tension adjusting mechanism in order to give an appropriate tension to the belt. When the tension adjusting mechanism is not provided, it is preferable to use a belt material having a high elasticity such as urethane rubber.

また、ベルトニップツイスター410には、ニップ点での圧力を調整する機構や、糸を通し始める前などにベルト同士を互いに離間させる機構を備えておくことが好ましい。その機構としては、例えば、一方のブラケット46Bを固定し、他方のブラケット46Aをエアシリンダ48により支点軸47を基点として可動に設計することが挙げられる。このような機構によれば、エアシリンダ48を制御することで、ブラケット46Aの位置およびニップ圧を調整することができ、スライバー状CNTに適正な挟持圧力を加えたり、ベルト間に隙間を設けたりすることができる。   Further, the belt nip twister 410 is preferably provided with a mechanism for adjusting the pressure at the nip point and a mechanism for separating the belts from each other before starting threading. As the mechanism, for example, one bracket 46B is fixed, and the other bracket 46A is designed to be movable with the fulcrum shaft 47 as a base point by an air cylinder 48. According to such a mechanism, the position of the bracket 46A and the nip pressure can be adjusted by controlling the air cylinder 48, an appropriate clamping pressure is applied to the sliver-like CNT, and a gap is provided between the belts. can do.

さらに、ニップ点の直上には上流ガイド49Aを、直下には下流ガイド49Bを設けることが好ましい。これらのガイドを使用することで、より正確にニップ点へ糸を誘導することができ、糸の均一性を向上させることができる。   Furthermore, it is preferable to provide an upstream guide 49A immediately above the nip point and a downstream guide 49B immediately below. By using these guides, the yarn can be guided to the nip point more accurately, and the uniformity of the yarn can be improved.

ベルトの素材には弾力性に富んだ材質を用いることが好ましく、糸に接触する面には、糸への摩擦力を適度に発生するような材料を選択するか、もしくはそのような摩擦力を発生するように後加工されたものを用いるのが好ましい。そのような素材として、ウレタンゴムなどのエラストマーが好ましく用いられる。   It is preferable to use a material with high elasticity for the material of the belt, and for the surface that contacts the yarn, select a material that generates moderate frictional force on the yarn, or such frictional force should be used. It is preferable to use one that has been post-processed to generate. As such a material, an elastomer such as urethane rubber is preferably used.

ベルトニップツイスターは、たとえば直径1〜500μmの撚糸形成に有効である。すなわち、撚り角度、送り速度、ニップ圧を独立して変える事ができるので、所望の糸を得るに際して多様に制御することができる。しかも、引出ローラ等の送り装置が不要であり、シンプルな装置に出来る。また、ニップポイントに磁力をかけて圧力を加えることもできる。   The belt nip twister is effective for forming a twisted yarn having a diameter of 1 to 500 μm, for example. That is, since the twist angle, feed speed, and nip pressure can be independently changed, various control can be performed when a desired yarn is obtained. In addition, a feeding device such as a drawing roller is unnecessary, and a simple device can be achieved. It is also possible to apply pressure by applying a magnetic force to the nip point.

ベルト41A、ベルト41Bによるニップ圧は、ベルトが傷まない程度にできるだけ大きくすることが好ましい。スライバー状CNTは、ベルトニップツイスターを経由することでCNT連続繊維とすることができるが、CNT束同士が分子間力で密着することで連続繊維としての強度が増すので、CNT束同士をきっちり密着させるだけの圧力を加えておくことが好ましい。   The nip pressure by the belt 41A and the belt 41B is preferably as large as possible so that the belt is not damaged. Sliver-like CNTs can be made into continuous CNT fibers via a belt nip twister, but the strength of continuous fibers is increased by the close contact of CNT bundles with intermolecular force, so the CNT bundles are closely attached. It is preferable to apply a pressure sufficient to allow this.

CNT連続繊維の撚り角は、CNT連続繊維の直径、ベルトニップツイスターの撚り方向の回転速度、ツイスターから巻き取りボビンまでの距離など、複数の要素で決まる。特にベルトニップツイスターの撚り方向の回転速度は、撚り角の大きな支配要因となるので、適切に調整することが好ましい。なお撚り角とは、連続繊維表面に見られる微小繊維束の、連続繊維の長軸方向に対する角度を言う。撚り角は5〜45°が好ましく、より好ましくは15〜40°である。加撚することで、繊維の巻締効果により糸の引張強度が高めることができるが、撚りをかけすぎた場合には糸切れを起こしたり、あるいはボビンから糸を解いたときに二重撚りになったりするので好ましくない。一方で、撚りが浅すぎる場合には、ボビンに巻き取った糸同士が密着し、ボビンから糸を巻き出す際に糸切れしやすくなるなどの問題が発生する。   The twist angle of the CNT continuous fiber is determined by a plurality of factors such as the diameter of the CNT continuous fiber, the rotational speed in the twist direction of the belt nip twister, and the distance from the twister to the take-up bobbin. In particular, the rotational speed in the twisting direction of the belt nip twister is a major factor in controlling the twist angle, and therefore it is preferable to adjust appropriately. The twist angle refers to the angle of the fine fiber bundle seen on the continuous fiber surface with respect to the long axis direction of the continuous fiber. The twist angle is preferably 5 to 45 °, more preferably 15 to 40 °. By twisting, the tensile strength of the yarn can be increased due to the winding effect of the fiber, but if too much twist is applied, thread breakage may occur, or double twisting may occur when the yarn is unwound from the bobbin. It is not preferable because it becomes On the other hand, when the twist is too shallow, the yarns wound around the bobbin are brought into close contact with each other, causing problems such as easy breakage when the yarn is unwound from the bobbin.

以上のようなニップベルトツイスターにより、スライバー状CNTは所定の圧力で挟持されつつ撚掛され、送り出され、CNTの連続繊維となる。このとき、スライバーの上部側にはスライバーの回転を抑制する支点が存在しないため、ニップ点から上部へはオープンエンドで撚りがかけられる。このことにより、上流ガイド49A付近では、スライバー状CNTにも撚りが伝えられており、撚り上がりのある状態となる。このためスライバー状CNTはより安定して、ガイドおよびニップ点へ誘導されることになる。   By the nip belt twister as described above, the sliver-like CNTs are twisted and fed out while being held at a predetermined pressure, and become CNT continuous fibers. At this time, since there is no fulcrum that suppresses the rotation of the sliver on the upper side of the sliver, twisting is applied from the nip point to the upper portion with an open end. As a result, in the vicinity of the upstream guide 49A, the twist is also transmitted to the sliver-like CNTs, and the twisted state is obtained. For this reason, the sliver-like CNTs are more stably guided to the guide and the nip point.

さらに、本発明においては、ベルトニップツイスターの上流側であって、かつ、管状反応炉の下流側に、該管状反応炉の内径の0.1〜0.5倍の内径を持つ筒状体を設ける。具体的に図1,2に示す装置においては、管状反応炉を構成する反応管2の下流側で、かつ、ベルトニップツイスター410の上流側に、該反応管2の内径の0.1〜0.5倍の内径を持つ筒状体12を設ける。   Furthermore, in the present invention, a cylindrical body having an inner diameter of 0.1 to 0.5 times the inner diameter of the tubular reactor is provided upstream of the belt nip twister and downstream of the tubular reactor. Provide. Specifically, in the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the inner diameter of the reaction tube 2 is 0.1 to 0 on the downstream side of the reaction tube 2 constituting the tubular reaction furnace and on the upstream side of the belt nip twister 410. A cylindrical body 12 having a five times inner diameter is provided.

筒状体の内径の、管状反応炉の内径に対する比率が0.5を超える場合、スライバー状CNTは、管状反応炉外へ誘導することが可能であるが、管状反応炉の円の中心部分から外側へ偏心しやすくなり、通過位置が不安定になるので好ましくない。またこの比率が0.1を下回ると、スライバー状CNTが筒状体12の内壁に付着し、糸切れの頻度が上がるので好ましくない。なお、当該内径の比率は0.2〜0.3が好ましい。また、本発明において、管状反応炉および筒状体の内径とは、管状反応炉および筒状体それぞれの最小内径のことを意味する。   When the ratio of the inner diameter of the cylindrical body to the inner diameter of the tubular reactor exceeds 0.5, the sliver-like CNT can be guided out of the tubular reactor, but from the central portion of the tubular reactor circle. This is not preferable because it tends to be eccentric outward and the passage position becomes unstable. On the other hand, if this ratio is less than 0.1, sliver-like CNTs adhere to the inner wall of the cylindrical body 12 and the frequency of thread breakage increases, which is not preferable. The ratio of the inner diameter is preferably 0.2 to 0.3. In the present invention, the inner diameters of the tubular reaction furnace and the tubular body mean the minimum inner diameters of the tubular reaction furnace and the tubular body, respectively.

なお、図1,2に示す装置において、筒状体12は管状反応炉の排気口としても作用しているが、このようにして筒状体12の内部をキャリアガスとスライバー状CNTとが通過するように設計することで、筒状体12においてキャリアガスの線速度が増加するため、スライバー状CNTを筒状体12の内壁により付着しにくく、中央をより安定して下流方向に誘導することができる。反応管内部におけるスライバー状CNTの線速度は、キャリアガスの線速度に比べて速いことから、スライバーがたわみやすいことがわかっている。したがって、反応管出口以降の任意の箇所において、キャリアガスの線速度の大きい部分を設けて、スライバー状CNTを下流方向へ引っ張り、スライバーを直線状にコントロールすることでスライバー状CNTを、ベルトニップツイスターへ安定して誘導することができる。   In the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the cylindrical body 12 also functions as an exhaust port of the tubular reaction furnace, but the carrier gas and the sliver-like CNT pass through the inside of the cylindrical body 12 in this way. By designing so as to increase the linear velocity of the carrier gas in the cylindrical body 12, the sliver-like CNT is less likely to adhere to the inner wall of the cylindrical body 12, and the center is guided more stably in the downstream direction. Can do. Since the linear velocity of the sliver-like CNT inside the reaction tube is higher than the linear velocity of the carrier gas, it is known that the sliver is easily bent. Therefore, a portion where the linear velocity of the carrier gas is large is provided at an arbitrary location after the outlet of the reaction tube, the sliver CNTs are pulled in the downstream direction, and the sliver is linearly controlled to control the sliver CNTs with the belt nip twister. Can be guided stably.

筒状体としては、最小径の部分が上述のような範囲のものであればいかなるものでもよいが、例えば図1、2に示すようなロート状であるものが好ましい。さらに、上部に向けて30〜120度の捕集角を有するロート状の筒状体を用いることで、スライバー状CNTが内壁へ付着する確率をさらに低減することができ、糸切れ確率の小さい、より均一な糸を得ることができるようになる。ここでロート表面は摩擦係数の小さな面であることが好ましく、例えばCNTが付着しにくい表面処理が施されていることが好ましい。また、ロートの形状は円錐、三角錐、四角錐の何れであってもよい。後述する炉内観察用の反射鏡22を設ける際には、ロートは透明のガラスであることが好ましい。さらに、筒状体12の直上部に、内径の大きい円筒がさらに接続されていても構わない。   The cylindrical body may be anything as long as the minimum diameter portion is in the above range, but preferably has a funnel shape as shown in FIGS. Furthermore, by using a funnel-shaped cylindrical body having a collection angle of 30 to 120 degrees toward the top, the probability that the sliver-like CNT adheres to the inner wall can be further reduced, and the probability of yarn breakage is small. A more uniform yarn can be obtained. Here, the funnel surface is preferably a surface with a small coefficient of friction, and for example, it is preferable that a surface treatment that prevents CNTs to adhere is applied. Further, the shape of the funnel may be a cone, a triangular pyramid, or a quadrangular pyramid. When a later-described reflecting mirror 22 for observation inside the furnace is provided, the funnel is preferably transparent glass. Furthermore, a cylinder with a large inner diameter may be further connected directly above the cylindrical body 12.

筒状体12の周囲には、図2に示すようにガラスや石英からなる分離箱10を設けることが好ましい。該分離箱10を設けることで、管状反応炉と筒状体12との温度差を和らげることができ、スライバー状CNTの生成状況を随時観察することができる。分離箱10には圧力監視用側孔31を設け、さらに該側孔31に水柱差圧計を設けて、実質的に管状反応炉内の圧力を随時監視できるようにすることが好ましい。   A separation box 10 made of glass or quartz is preferably provided around the cylindrical body 12 as shown in FIG. By providing the separation box 10, the temperature difference between the tubular reactor and the tubular body 12 can be reduced, and the production status of sliver-like CNTs can be observed as needed. The separation box 10 is preferably provided with a pressure monitoring side hole 31 and further provided with a water column differential pressure gauge so that the pressure in the tubular reactor can be monitored at any time.

さらに、管状反応炉の出口より下流側に設けた筒状体12の下流側端部には、管状反応炉から排出されるガスと、大気とを併せて吸引する、排気管15等を備えた排気フード16を備えることが好ましい。CVD法では、キャリアガスに水素を、原料ガスに炭化水素ガスを用いることが多いが、上記のような構成により、これらの可燃性ガスを安全に排気し、なおかつCNTを大気中へ安全に分離して取り出すことができる。このような排気フードを設けない場合には、CNT連続繊維を形成することはできるが、排気口14の外側周辺において可燃性ガスが拡散し、管状反応炉のヒーター部分へ達して火災・爆発が発生する危険性が高まる。そのため、これら可燃性ガスを、大気とともに吸引排気する局所排気装置を別途設けて安全を確保することが好ましい。   Furthermore, the downstream end of the cylindrical body 12 provided downstream from the outlet of the tubular reactor was provided with an exhaust pipe 15 or the like for sucking together the gas discharged from the tubular reactor and the atmosphere. An exhaust hood 16 is preferably provided. In the CVD method, hydrogen is often used as a carrier gas and hydrocarbon gas is used as a raw material gas. With the configuration described above, these combustible gases are safely exhausted, and CNTs are safely separated into the atmosphere. Can be taken out. If such an exhaust hood is not provided, CNT continuous fibers can be formed, but combustible gas diffuses around the outside of the exhaust port 14 and reaches the heater part of the tubular reactor to cause a fire / explosion. Increased risk of occurrence. Therefore, it is preferable to ensure safety by separately providing a local exhaust device that sucks and exhausts these combustible gases together with the atmosphere.

排気フードの構造の一例は図2の通りである。管状反応炉で生成したスライバー状CNTは筒状体12の排気口14、ガイド17を通過して大気中へと誘導されるが、スライバー状CNTの糸切れを防ぐため、ガイド17は、反応部200を完全には密閉しないように、誘導されるスライバー状CNTの周囲に隙間を設けるように構成されている。また、その隙間から管状反応炉内へ大気が大量に流入しないよう、排気口14と、ガイド17の間の空間の側方に、排気管15を設ける。排気管15は反応管2から排気されるガスの流量以上の流量で排気するようにし、排気ガスと大気の両方を混合しながら排気するように設計する。   An example of the structure of the exhaust hood is as shown in FIG. The sliver-like CNT generated in the tubular reactor is guided to the atmosphere through the exhaust port 14 and the guide 17 of the cylindrical body 12, but in order to prevent the sliver-like CNT from breaking, In order not to completely seal 200, a gap is provided around the sliver-like CNT to be induced. Further, an exhaust pipe 15 is provided on the side of the space between the exhaust port 14 and the guide 17 so that a large amount of air does not flow into the tubular reactor from the gap. The exhaust pipe 15 is designed to exhaust at a flow rate higher than the flow rate of the gas exhausted from the reaction tube 2 and to exhaust while mixing both the exhaust gas and the atmosphere.

ここで、大気の吸い込み量が多すぎるとガイド17から勢いよく大気が逆流することになり、スライバー状CNTを安定して排出することが難しくなる。そこで、排気管15の中間部分に、大気孔20を設け、その吸い込み量を調節できるようにスライダ筒19を設けている。このようにスライダ筒19を用いて大気の吸い込み量を排気管付近で調節することで、スライバー状CNTを大気中へ安全に安定して取り出すことが容易になり、ひいてはCNT連続繊維をより安定に製造することができる。排気ガスは、爆発限界濃度よりも小さい濃度に希釈した上で大気中に拡散排気することが必要であるが、上記のような構成にすることで、排気口14から大気孔20の付近で素早く大気で希釈されることになり、その結果、安全性を高めることができる。また、このような排気フードを設置することで、ガス成分のみならず、飛散性のCNTやカーボン微粒子、および未反応の触媒微粒子などを、排気とともに排出することができ、CNT連続繊維製造装置近傍での作業者への安全性を高めることができる。なお、排気管15から排出される排気ガスは、微小な粉塵を含んでいる可能性が高いので、高性能フィルターを介して外部へ拡散排気することが好ましい。   Here, if the amount of air sucked is too large, the air will vigorously flow backward from the guide 17, making it difficult to stably discharge the sliver-like CNTs. Therefore, an air hole 20 is provided in an intermediate portion of the exhaust pipe 15, and a slider cylinder 19 is provided so that the suction amount can be adjusted. By adjusting the amount of air sucked in the vicinity of the exhaust pipe using the slider cylinder 19 in this way, it becomes easy to safely and stably take out the sliver-like CNT into the atmosphere, and as a result, the CNT continuous fiber can be more stable. Can be manufactured. The exhaust gas needs to be diffused and exhausted into the atmosphere after being diluted to a concentration lower than the explosive limit concentration. By adopting the above-described configuration, the exhaust gas can be quickly discharged from the exhaust port 14 in the vicinity of the atmospheric hole 20. It will be diluted with the atmosphere, and as a result, safety can be improved. In addition, by installing such an exhaust hood, not only gas components but also diffusible CNT, carbon particulates, and unreacted catalyst particulates can be discharged together with exhaust, and in the vicinity of the CNT continuous fiber manufacturing equipment It is possible to improve the safety for workers in Since the exhaust gas discharged from the exhaust pipe 15 is likely to contain fine dust, it is preferable that the exhaust gas is diffused and exhausted to the outside through a high-performance filter.

また、排気フードには、スライダ筒を設けなくてもよい。例えば、管状反応炉からのガスの排出量、および排気口15のガス吸引量をそれぞれ測定し、その吸引量から排気量を差し引いた量の大気を、排気フード側面等に設けられた大気の導入口から、マスフローコントローラーなどで制御しながら導入することもできる。こうすることで上述のスライダ筒を用いた場合と同様の機能を備えることができる。なお、管状反応炉からのガスの排気量と、排気口15のガスの吸引量と、大気の吸い込み量を制御できれば、上記装置構成に限られない。   Further, the exhaust hood need not be provided with a slider cylinder. For example, the amount of gas discharged from the tubular reactor and the amount of gas sucked into the exhaust port 15 are measured, and the amount of air obtained by subtracting the amount of exhaust from the amount of sucked air is introduced into the side of the exhaust hood or the like. It can also be introduced from the mouth while being controlled by a mass flow controller. By doing so, it is possible to provide the same function as when the above-described slider cylinder is used. The apparatus configuration is not limited to the above as long as the amount of gas exhausted from the tubular reactor, the amount of gas sucked from the exhaust port 15, and the amount of air sucked in can be controlled.

排気フードの、繊維走行方向の下流側端部には、ガイド17が接合されている。これには、非磁性体で耐摩耗性があり、走行抵抗の小さいセラミックを用いることが好ましい。またスライバー状CNTもしくはCNT連続繊維が安定して走行できるようにするために、ガイド17の位置と、ベルトニップツイスター410によるニップ点とを極力近づけるようにすることが好ましい。   A guide 17 is joined to the downstream end of the exhaust hood in the fiber travel direction. For this, it is preferable to use a ceramic that is non-magnetic and wear-resistant and has low running resistance. In addition, it is preferable that the position of the guide 17 and the nip point by the belt nip twister 410 are made as close as possible so that the sliver-like CNTs or CNT continuous fibers can run stably.

本発明のCNT連続繊維製造装置は、連続的に送り出されるCNT連続繊維の巻取装置も備える。具体的には、例えば図1,図4に示すように、上部から送られてくるCNT連続繊維をボビン51に巻き取るように巻取部500を構成すればよい。ボビン51を水平方向に往復運動させながら回転させる方式が望ましいが、一定張力や一定速度でCNT連続繊維(撚糸)Fを巻き取れる巻き取り機であればその方式に限られない。例えば、ボビン51上流側に糸道ガイド55を設けて、該糸道ガイド55によりCNT連続繊維を左右に揺動するシステムを用いることもできる。   The CNT continuous fiber manufacturing apparatus of the present invention also includes a winding device for continuously feeding CNT continuous fibers. Specifically, for example, as shown in FIGS. 1 and 4, the winding unit 500 may be configured to wind up the CNT continuous fiber sent from the upper part around the bobbin 51. A method of rotating the bobbin 51 while reciprocating in the horizontal direction is desirable, but the method is not limited as long as the winder can wind the CNT continuous fiber (twisted yarn) F at a constant tension or a constant speed. For example, a system in which a yarn path guide 55 is provided on the upstream side of the bobbin 51 and the CNT continuous fiber is swung left and right by the yarn path guide 55 can be used.

以下において、図4に示したボビン51を水平方向に往復運動させながら巻き取る場合について説明する。まず、ボビンホルダー53は、可変速モータM2と架台52に固定されたねじによって正逆方向へ往復運動することができる。そして、ボビン51は、ボビンホルダー53から脱着可能なシステムで保持されている。そして、巻径が増大しても巻取速度が一定になるよう、可変速モータM1と制御装置54にて回転数を漸減させるシステムを有する。なお、巻径は、モータM1の軸線の上に設けられた糸道ガイド55の近傍に取り付けた非接触巻厚センサー56で計測した値から計算され制御装置54へ送られる。また、巻径に応じて可変速モータM2のトラバース幅を制御して巻取形状を変えることもできる。また糸切れセンサーの機能を併せ持つ非接触巻厚センサー56により、ベルトへの巻き付きや分離部300におけるCNTの束のたまり異常を検出し回復処置を行えるように構成する。   Hereinafter, a case where the bobbin 51 shown in FIG. 4 is wound while being reciprocated in the horizontal direction will be described. First, the bobbin holder 53 can reciprocate in the forward and reverse directions by a screw fixed to the variable speed motor M2 and the gantry 52. The bobbin 51 is held by a system that can be detached from the bobbin holder 53. The variable speed motor M1 and the control device 54 have a system for gradually reducing the rotational speed so that the winding speed becomes constant even when the winding diameter increases. The winding diameter is calculated from a value measured by a non-contact winding thickness sensor 56 attached in the vicinity of the yarn path guide 55 provided on the axis of the motor M1, and is sent to the control device 54. Further, the winding shape can be changed by controlling the traverse width of the variable speed motor M2 in accordance with the winding diameter. Further, the non-contact winding thickness sensor 56 having the function of a thread breakage sensor is configured to detect a winding around the belt or an abnormal accumulation of CNT bundles in the separation unit 300 and perform recovery treatment.

ボビン51の回転速度は、CNT連速繊維の供給速度に合わせることが好ましく、僅かにテンションを加えるために、供給速度よりも5〜10%速めにすることも好ましい。ボビン51の材質はステンレス、プラスチックなどの汎用素材を用いることができる。   The rotation speed of the bobbin 51 is preferably matched with the supply speed of the CNT continuous speed fiber, and is preferably 5 to 10% faster than the supply speed in order to slightly apply tension. The bobbin 51 can be made of a general-purpose material such as stainless steel or plastic.

以上のようなCNT連続繊維製造装置において、管状反応炉内で生成開始したスライバー状CNTは、キャリアガスに誘導されて排気管15へと向かう。このとき、スライバー状CNTは、周囲に電気炉を有する反応管2の内部では内壁に付着しない状態で出口へ向かって移動してくるが、周囲に電気炉を有する反応管2を出て温度が下がる領域に到達すると内壁に付着しやすくなる。そこで、CNTがより低温のものに付着する性質を利用して、管状反応炉内部の温度よりも低温になっている耐熱性の糸かけ棒(例えば直径1〜2mmのステンレス製の棒)の端部を管状反応炉内部に挿入し、スライバー状カーボンナノチューブに接触・付着させ、かつ糸かけ棒の他の部分(スライバー状CNTに接触していない箇所)をベルトツイスターで挟持しながら回転および送り出しをすることによって、スライバー状カーボンナノチューブをベルトニップツイスターへ誘導してCNT連続繊維の製造を開始することが好ましい。なお、この棒の表面は光沢が無い程度に細かい凹凸を付けておくことが好ましく、そうすることで絡め取ったスライバー状CNTの棒への付着力を向上できる。   In the CNT continuous fiber manufacturing apparatus as described above, the sliver-like CNT started to be generated in the tubular reactor is guided to the carrier gas and directed to the exhaust pipe 15. At this time, the sliver-like CNT moves toward the outlet without being attached to the inner wall inside the reaction tube 2 having an electric furnace around it, but the temperature of the sliver-like CNT exits the reaction tube 2 having an electric furnace around it. When it reaches the lowering area, it tends to adhere to the inner wall. Therefore, the end of a heat-resistant threading rod (for example, a stainless steel rod having a diameter of 1 to 2 mm) that is lower in temperature than the temperature inside the tubular reactor using the property that CNT adheres to a lower temperature. The part is inserted into the tubular reactor, and is brought into contact with and attached to the sliver-like carbon nanotubes, and the other part of the threading rod (the part not in contact with the sliver-like CNT) is rotated and sent out while being sandwiched by the belt twister. By doing so, it is preferable to start the production of CNT continuous fibers by guiding the sliver-like carbon nanotubes to the belt nip twister. In addition, it is preferable that the surface of this bar is finely uneven so as not to be glossy, and by doing so, the adhesion force of the sliver-like CNTs taken up to the bar can be improved.

糸かけ棒の一方の端部に付着したスライバー状CNTは、糸かけ棒の他の部分がベルトニップツイスターによって回されるため、棒に充分絡められて下方へ誘導される。このとき回転速度は棒の直径に依存するため、より確実に撚りをかけるために棒の直径は、所望するCNT連続繊維と同等の直径、例えば10〜500μm程度が理想的であるが、長さ数十センチメートルの棒の強度を保持するためには、直径0.5〜5mmの太さが好ましい。したがって、棒の直径は装置のスケールと棒の強度などから最適化して選択する必要があるが、より好ましくは、直径0.5〜2mmである。   The sliver-like CNT adhering to one end of the threading rod is sufficiently entangled with the rod and guided downward because the other portion of the threading rod is rotated by the belt nip twister. At this time, since the rotation speed depends on the diameter of the rod, the diameter of the rod is ideally the same diameter as the desired CNT continuous fiber, for example, about 10 to 500 μm, in order to more reliably twist, but the length In order to maintain the strength of a bar of several tens of centimeters, a thickness of 0.5 to 5 mm in diameter is preferable. Therefore, the diameter of the bar needs to be optimized and selected from the scale of the apparatus and the strength of the bar, but more preferably the diameter is 0.5 to 2 mm.

糸かけ棒の素材は、管状反応炉内部の温度で形状を保持できるものであれば何れも用いることができ、ステンレス製やセラミックス製が好ましい。これ以外にも鉄、チタン、モリブデン、タングステン、ジルコニウムなどや、それらを含む合金や酸化物も用いることができる。   Any material can be used as the material for the threading rod as long as the shape can be maintained at the temperature inside the tubular reactor, and stainless steel or ceramics is preferable. In addition, iron, titanium, molybdenum, tungsten, zirconium, and the like, and alloys and oxides containing them can also be used.

糸かけ棒の長さは、最低限、繊維走行方向に関して管状反応炉の電気炉下端部からニップ点までの距離の長さが必要であり、さらにその長さにハンドリング用の長さとして20cm程度を足した長さが好ましい。具体的には30〜100cm程度のものが好ましい。   The length of the threading rod must be at least the distance from the lower end of the electric furnace of the tubular reactor to the nip point in the fiber running direction, and the length for handling is about 20 cm. The length added is preferably. Specifically, about 30-100 cm is preferable.

糸かけ棒の一方の端部に付着したスライバー状CNTは、ベルトニップツイスターを通過することでCNT連続繊維になるが、連続繊維となった状態でも、CNT連続繊維は糸かけ棒に付着した状態である。そのため、このCNT連続繊維が付着した糸かけ棒をさらに、巻取部500へと誘導し、ボビンに糸かけを行うことが好ましい。ボビンに糸掛けを行った後には、糸かけ棒の先端付近のCNT連続繊維を切断して、連続的な巻き取りを開始すればよい。   The sliver-like CNT attached to one end of the threading rod becomes a CNT continuous fiber by passing through the belt nip twister, but the CNT continuous fiber is still attached to the threading rod even when it is a continuous fiber. It is. For this reason, it is preferable to further guide the threading rod with the CNT continuous fibers attached to the winding unit 500 and thread the bobbin. After threading the bobbin, it is only necessary to start continuous winding by cutting the CNT continuous fiber near the tip of the threading rod.

なお、ベルトニップツイスターを通過した後のCNT連続繊維の一端を巻き取り装置へ誘導する手段としては、図1に示すようにサクションガン80を用いることが有効である。サクションガン80は、ベルトニップツイスター410と巻取部500との間で、CNT連続繊維を初めに誘導してボビンへ糸かけする場合や、糸切れが発生した場合に、糸切れした上流側の端を捕捉してボビンへ誘導する際に用いることができる。サクションガンの先端に大気の吸い込み口が設けられており、大量の空気とともにCNT連続繊維を吸い込んで、一定の吸引力、すなわち一定の張力で、任意の場所へ糸の一端を誘導することができる。サクションガン80は繊維生産設備で使用されている公知の装置であり圧縮空気を下流側に吹き出し、上流吸い込み口に吸引力を発生させる仕組みである。   As a means for guiding one end of the CNT continuous fiber after passing through the belt nip twister to the winding device, it is effective to use a suction gun 80 as shown in FIG. The suction gun 80 is used when the CNT continuous fiber is first guided between the belt nip twister 410 and the winding unit 500 to thread it onto the bobbin, or when the yarn breakage occurs, the upstream side where the yarn breakage occurs. It can be used to capture the edge and guide it to the bobbin. An air suction port is provided at the tip of the suction gun, and the CNT continuous fiber is sucked together with a large amount of air, and one end of the yarn can be guided to an arbitrary place with a constant suction force, that is, a constant tension. . The suction gun 80 is a known device used in a fiber production facility, and has a mechanism for blowing compressed air downstream and generating a suction force at an upstream suction port.

また、サクションガン80をCNT連続繊維が通過する側に仮固定し、平常時は吸引を停止させ、糸切れ信号やボビン切り替え信号によって圧縮空気を導入して吸引を開始させ、続いてボビンへ糸を誘導させるなどの自動化も可能である。   In addition, the suction gun 80 is temporarily fixed to the side through which the CNT continuous fiber passes, and suction is stopped in normal times, and suction is started by introducing compressed air by a thread break signal or a bobbin switching signal. It is also possible to automate such as inducing.

サクションガン80へ導入される大気、および吸い込み口から吸引した大気は、下流側に設けた目地の細かい袋布を介して排気することができる。こうすることで吸引したCNTを捕捉し、周囲に飛散させないようにすることができる。   The air introduced into the suction gun 80 and the air sucked from the suction port can be exhausted through a finely woven bag cloth provided on the downstream side. In this way, the sucked CNT can be captured and prevented from being scattered around.

本発明のCNT連続繊維製造装置には、管状反応炉内部を観察するための反射鏡もしくはモニタカメラ、内視鏡などを設けることができる。例えば図2に示すように鏡22を管状反応炉に設けることで内部が観察できる。このように内部を観察できるようにすることで、スライバー状CNTの糸かけ時のモニタリングや、生成CNTの供給状態、ひいてはCNT原料がノズルから噴霧供給される状態などを観察することができる。特に、糸かけ棒を挿入してスライバー状CNTを付着させる際に有用である。さらには生産されるCNTの品質管理・維持にも活用できる。   The CNT continuous fiber manufacturing apparatus of the present invention can be provided with a reflecting mirror or monitor camera, an endoscope, etc. for observing the inside of the tubular reactor. For example, as shown in FIG. 2, the inside can be observed by providing a mirror 22 in the tubular reactor. By making the inside observable in this way, it is possible to monitor the sliver-like CNT during threading, the supply state of the produced CNT, and the state in which the CNT raw material is spray-supplied from the nozzle. In particular, it is useful when inserting a threading rod and attaching sliver-like CNTs. It can also be used for quality control and maintenance of produced CNTs.

そして、内部を観察することで、スライバー状CNTの生成過程、およびベルトニップツイスターからの撚り上がり効果も把握できる。反応炉内でCNTは冷却開始位置前後で自己凝集が始まってスライバー状となるが、このときCNT同士の凝集力で集まるため、通常はCNT単糸の方向はランダムである。しかし、ベルトニップツイスターで撚りをかけると、スライバー状CNTの上端は開放端であるために上部へ撚りが伝わり、CNTがスライバー状になる際に、スライバー上部の自由端でCNT単糸がある程度揃いながら、すなわち配向しながら凝集・捕捉されることになる。   Then, by observing the inside, it is possible to grasp the production process of the sliver-like CNT and the twisting effect from the belt nip twister. In the reaction furnace, the CNTs start to self-aggregate before and after the cooling start position and become a sliver. At this time, the CNTs are gathered by the cohesive force between the CNTs, and therefore the direction of the CNT single yarn is usually random. However, when twisting with a belt nip twister, the upper end of the sliver-like CNT is an open end, so the twist is transmitted to the upper part, and when the CNT becomes sliver, the CNT single yarn is aligned to some extent at the free end above the sliver. That is, they are aggregated and trapped while being oriented.

なお、この撚り上がり機構を十分に機能させるためには、繊維走行方向に関してベルトニップツイスターのニップ点と管状反応炉の電気炉下端部(加熱領域の最下限)との距離を短くすることが好ましい。具体的には、管状反応炉の電気炉下端部から、ベルトニップツイスターのニップ点までの距離が、反応管2の内径の3〜12倍であることが好ましい。この範囲にすることにより、撚りの遡及が上流部に伝達しやすく、走向による外乱抵抗の影響が少なくなり、加熱領域下端部での凝集集束点が安定するため、糸切れが少なく太さがより均一なCNT連続繊維を得ることができる。上記距離が3倍より小さい場合には、電気炉の設定温度を1200℃としたときニップ点付近の温度が250℃以上となり、ニップベルトが変形するなどの不具合が生じ易くなるので好ましくない。一方、12倍を超える場合は、CNT連続繊維を形成することができるものの、撚りが不安定になる傾向がある。   In order to sufficiently function the twisting mechanism, it is preferable to shorten the distance between the nip point of the belt nip twister and the lower end portion of the electric furnace of the tubular reactor (lower limit of the heating region) in the fiber running direction. . Specifically, the distance from the lower end of the electric furnace of the tubular reaction furnace to the nip point of the belt nip twister is preferably 3 to 12 times the inner diameter of the reaction tube 2. By making this range, the retroactive twist is easily transmitted to the upstream part, the influence of disturbance resistance due to the running direction is reduced, and the aggregation and converging point at the lower end of the heating area is stabilized. Uniform CNT continuous fibers can be obtained. If the distance is smaller than three times, the temperature near the nip point becomes 250 ° C. or more when the set temperature of the electric furnace is set to 1200 ° C., which is not preferable because the nip belt is likely to be deformed. On the other hand, when it exceeds 12 times, although a CNT continuous fiber can be formed, the twist tends to be unstable.

なお、管状反応炉の電気炉下端部からベルトニップツイスターのニップ点までの距離を短くする場合には、その間に設ける部品の耐熱性を考慮することが好ましい。例えば反応管2の直下には、反応管を支えるフランジを設けることが望ましいが、これはSUSなどの素材を用いることが好ましい。また、反応管2下の筒状体の周囲には分離箱10を設けることが好ましいが、その素材はガラスや石英が好ましい。さらに、フランジと分離箱の接続部分にはパッキンを設けることが好ましいうが、該パッキンには耐熱性に優れたグラファイトシートを用いることが好ましい。   In addition, when shortening the distance from the lower end part of the electric furnace of the tubular reactor to the nip point of the belt nip twister, it is preferable to consider the heat resistance of the components provided therebetween. For example, it is desirable to provide a flange that supports the reaction tube immediately below the reaction tube 2, but it is preferable to use a material such as SUS. Moreover, it is preferable to provide the separation box 10 around the cylindrical body under the reaction tube 2, but the material is preferably glass or quartz. Furthermore, it is preferable to provide packing at the connection portion between the flange and the separation box, but it is preferable to use a graphite sheet having excellent heat resistance for the packing.

また、図2に示すように、スライバー状CNTもしくはCNT連続繊維の太さムラを、静電容量の変化によって読みとるセンサー23を配置することも好ましい。このように、センサー23をスライバー状CNTもしくはCNT連続繊維の側面に配置する場合、該センサーからのモニター信号により太さムラや糸切れを常時監視することができる。そして、このモニター信号でCNT連続繊維の太さが所望する範囲に入るように、(i)投入原液の吐出量やキャリアガスの投入量をかえたり、(ii)ベルト41Aと41Bの速度をかえたり、(iii)エアシリンダ48(図3)の作動圧でベルト41Aと41Bでのニップ圧をフィードバック制御させたり、(iv)ボビン51の巻き取り速度を変化させたりして制御することができる。   In addition, as shown in FIG. 2, it is also preferable to arrange a sensor 23 that reads the thickness unevenness of the sliver-like CNTs or CNT continuous fibers by changing the electrostatic capacity. Thus, when the sensor 23 is arranged on the side surface of the sliver-like CNT or CNT continuous fiber, the thickness unevenness and thread breakage can be constantly monitored by the monitor signal from the sensor. Then, (i) change the discharge amount of the input stock solution or the input amount of the carrier gas, or (ii) change the speed of the belts 41A and 41B so that the thickness of the CNT continuous fiber falls within the desired range by this monitor signal. Or (iii) feedback control of the nip pressure at the belts 41A and 41B with the operating pressure of the air cylinder 48 (FIG. 3), or (iv) change of the winding speed of the bobbin 51. .

以上のような装置におけるCNTの合成は、流動気相CVD法で、かつ、既知の材料を用いて、例えば以下のように行うことができる。すなわち、反応管2の上下方向中央部を電気炉1によって600〜1200℃に加熱しておき、反応管2の上部からキャリアガスとCNT原料を導入してCNTを合成する。原料に液体を使用するので、液体原料の混合溶液4はマイクロフィーダー5を用いて定量的に供給され、キャリアガスと装置に備え付けられたノズルによって反応管内へ噴霧される。反応管2へ供給された原料は加熱されて気化し、さらに熱分解し、微粒子状の鉄触媒を起点にしてCNTが成長する。CNTは成長するとともにキャリアガスによって下流へ送られ成長を終える。このとき生成したCNTは、キャリアガスの単位体積あたりに存在するCNTの濃度が、CNTが自己凝集できる程度に高濃度であることが好ましい。ここで自己凝集とは1本1本のCNTが束状に凝集することに加えて、束状CNT同士がマクロに凝集することをさす。CNT同士の凝集力を活用することで副生成物の粉塵を分離することもできる。すなわち、アモルファスカーボンなどからなるススや、合成反応に寄与しなかった触媒くずなどの副生成物は、キャリアガス中へ拡散する性質があり、一方で生成したCNTはキャリアガス中で凝集する性質があることから、CNTが凝集するのに対して副生成物はCNTから分離する。その結果、CNT純度の高いCNT連続繊維が得られる。   The synthesis of CNTs in the apparatus as described above can be performed, for example, as follows using a fluidized gas phase CVD method and using a known material. That is, the central part in the vertical direction of the reaction tube 2 is heated to 600 to 1200 ° C. by the electric furnace 1, and carrier gas and CNT raw material are introduced from the upper part of the reaction tube 2 to synthesize CNT. Since a liquid is used as a raw material, the mixed solution 4 of the liquid raw material is quantitatively supplied using a microfeeder 5 and sprayed into a reaction tube by a carrier gas and a nozzle provided in the apparatus. The raw material supplied to the reaction tube 2 is heated and vaporized, further pyrolyzed, and CNT grows starting from the particulate iron catalyst. The CNT grows and is sent downstream by the carrier gas to finish the growth. It is preferable that the CNT produced | generated at this time is so high that the density | concentration of CNT which exists per unit volume of carrier gas can self-aggregate CNT. Here, self-aggregation means that the bundled CNTs aggregate in a macro manner in addition to the aggregation of the individual CNTs in a bundle shape. By-product dust can also be separated by utilizing the cohesive force between CNTs. In other words, by-products such as soot made of amorphous carbon and catalyst waste that did not contribute to the synthesis reaction have a property of diffusing into the carrier gas, while the produced CNT has a property of aggregating in the carrier gas. For some reason, CNTs aggregate while by-products separate from CNTs. As a result, a CNT continuous fiber having a high CNT purity is obtained.

CNT原料の炭素源としては、炭化水素を使用することが好ましく、1種類でも複数種類であってもよい。特に制約はないが、後述する触媒や反応促進剤を溶解できる液体を少なくとも1種類用いることが好ましい。炭化水素の例としては、ヘキサン、ヘプタン、オクタン、ノナン、デカン、ドデカン、テトラデカンなどの非環式飽和脂肪族炭化水素や、直鎖ではなく枝分かれした構造の異性体であってもよい。二重結合を一つもしくは複数持つ非環式不飽和脂肪族炭化水素であってもよい。シクロヘキサン、デカリン、テトラデカヒドロフェナントレンなどの環式飽和脂肪族炭化水素や、ベンゼン、トルエン、キシレン、テトラヒドロナフタレンなどの環式不飽和炭化水素であってもよい。エタノール、プロパノール、ブタノールなどのアルコール類も用いることができる。これらの炭素源のうちデカリン、エタノール、トルエンが好ましく用いられる。液体の炭素源には金属錯体を溶解させたり、微粒子状金属などを懸濁分散させて用いることができる。   As the carbon source of the CNT raw material, it is preferable to use hydrocarbons, which may be one kind or plural kinds. Although there is no particular limitation, it is preferable to use at least one liquid that can dissolve a catalyst and a reaction accelerator described later. Examples of the hydrocarbon may be an acyclic saturated aliphatic hydrocarbon such as hexane, heptane, octane, nonane, decane, dodecane, and tetradecane, or an isomer having a branched structure instead of a straight chain. It may be an acyclic unsaturated aliphatic hydrocarbon having one or more double bonds. Cyclic saturated aliphatic hydrocarbons such as cyclohexane, decalin, and tetradecahydrophenanthrene, and cyclic unsaturated hydrocarbons such as benzene, toluene, xylene, and tetrahydronaphthalene may be used. Alcohols such as ethanol, propanol and butanol can also be used. Of these carbon sources, decalin, ethanol, and toluene are preferably used. A liquid carbon source can be used by dissolving a metal complex or suspending and dispersing fine metal particles.

触媒としては、金属の種類やその形態の違いに特に制限されるものではないが、遷移金属化合物又は遷移金属超微粒子(例えば1nm程度の金属クラスター)が好ましく用いられる。遷移金属化合物は、反応管内で分解することにより、触媒としての遷移金属粒子を発生することができるものである。   The catalyst is not particularly limited by the kind of metal or the form of the metal, but a transition metal compound or a transition metal ultrafine particle (for example, a metal cluster of about 1 nm) is preferably used. The transition metal compound can generate transition metal particles as a catalyst by being decomposed in a reaction tube.

これら遷移金属化合物や遷移金属原子は、反応管内における600〜1200℃の温度に維持された反応領域に、気体の状態で供給されるのが好ましく、所定の反応温度にまで昇温される前に、完全に気化することができるものが好適である。   These transition metal compounds and transition metal atoms are preferably supplied in a gaseous state to a reaction region maintained at a temperature of 600 to 1200 ° C. in the reaction tube, and before being heated to a predetermined reaction temperature. Those that can be completely vaporized are preferred.

遷移金属原子としては、鉄、ニッケル、コバルト、スカンジウム、チタン、バナジウム、クロム、マンガン等を挙げることができ、中でもより好ましいのは鉄、ニッケル、コバルトである。   Examples of the transition metal atom include iron, nickel, cobalt, scandium, titanium, vanadium, chromium, manganese, and the like, among which iron, nickel, and cobalt are more preferable.

遷移金属化合物としては、例えば、有機遷移金属化合物、無機遷移金属化合物等を挙げることができる。有機遷移金属化合物としては、フェロセン、ニッケロセン、コバルトセン、鉄カルボニル、アセチルアセトナート鉄、オレイン酸鉄等を挙げることができ、より好ましくはフェロセンである。無機遷移金属化合物としては塩化鉄などをあげることができる。   As a transition metal compound, an organic transition metal compound, an inorganic transition metal compound, etc. can be mentioned, for example. Examples of the organic transition metal compound include ferrocene, nickelocene, cobaltcene, iron carbonyl, iron acetylacetonate, iron oleate, and the like, and ferrocene is more preferable. Examples of the inorganic transition metal compound include iron chloride.

炭素源は複数種投入することもでき、第二炭素源としては常温状圧でガス状のものも用いることができる。例えば、メタン、エタン、プロパン、アセチレン、エチレン、プロピレンなどが用いられるが、中でもエチレンが好ましく用いられる。   A plurality of types of carbon sources can be added, and the second carbon source can be a gaseous source at room temperature. For example, methane, ethane, propane, acetylene, ethylene, propylene and the like are used, and among them, ethylene is preferably used.

さらに、投入原料中に反応促進剤を添加することも好ましい。硫黄化合物は金属触媒と相互作用して、CNT生成の促進に寄与するので好ましく用いられる。硫黄化合物として、有機硫黄化合物、無機硫黄化合物の何れも用いられるが、チアナフテン、ベンゾチオフェン、チオフェン等の含硫黄複素環式化合物などがより好ましく、さらに好ましくはチオフェンである。これらの反応促進剤は気体であればキャリアガスと混合して反応管へ導入し、液体であれば液体の炭素源に混合溶解して、ノズル噴霧によって反応管へ導入される。   Furthermore, it is also preferable to add a reaction accelerator to the raw material. Sulfur compounds are preferably used because they interact with the metal catalyst and contribute to the promotion of CNT production. As the sulfur compound, both organic sulfur compounds and inorganic sulfur compounds are used, but sulfur-containing heterocyclic compounds such as thianaphthene, benzothiophene, and thiophene are more preferable, and thiophene is more preferable. If the reaction accelerator is a gas, it is mixed with a carrier gas and introduced into the reaction tube. If it is a liquid, it is mixed and dissolved in a liquid carbon source and introduced into the reaction tube by nozzle spraying.

以上のように炭素源の種類に応じて原料供給ラインを選択することができ、液体原料と気体原料を同時に使用する場合には両者を併用することが好ましい。   As described above, the raw material supply line can be selected according to the type of the carbon source. When the liquid raw material and the gaseous raw material are used at the same time, it is preferable to use both.

キャリアガスは、水素、アルゴン、窒素が好ましく用いられ、単一のガスであっても、混合ガスであっても構わない。好ましくは水素ガス単一か、水素を含んだアルゴンガスである。   The carrier gas is preferably hydrogen, argon, or nitrogen, and may be a single gas or a mixed gas. Preferably, hydrogen gas alone or argon gas containing hydrogen is used.

本発明ではスライバー状CNTを形成しやすくするため、キャリアガス量を少なくして、反応管中の線速度が、5〜50cm/分となるように設定することが好ましい。5cm/分より遅い場合には生成したCNTが拡散しやすくなりCNT同士が自己凝集しなくなるので好ましくない。また50cm/分超の場合はCNTがキャリアガスに運ばれる割合が大きくなるためCNT同士が自己凝集しにくくなるので好ましくない。なお、ここで言う線速度とは、投入したガスの流量を反応管内側の断面積で割った値である。加熱ゾーンを通過する際にガスが膨張して線速度が多少増大するが、計測が難しいのでここでは室温のガスの体積を計算の基準とする。   In the present invention, in order to facilitate the formation of sliver-like CNTs, it is preferable to set the linear velocity in the reaction tube to be 5 to 50 cm / min by reducing the amount of carrier gas. If it is slower than 5 cm / min, the produced CNTs are likely to diffuse and CNTs do not self-aggregate, which is not preferable. On the other hand, if it exceeds 50 cm / min, the proportion of CNTs transported to the carrier gas increases, and CNTs are less likely to self-aggregate. In addition, the linear velocity said here is the value which divided the flow volume of the supplied gas by the cross-sectional area inside a reaction tube. When the gas passes through the heating zone, the gas expands and the linear velocity slightly increases. However, since the measurement is difficult, the volume of the gas at room temperature is used as a reference for calculation here.

キャリアガス単位体積中の炭素原料濃度を、大きくする方法も有効である。具体的にはキャリアガスを含めた全投入原料のうち、炭素原子の占める重量比率が25〜50重量%となる条件が好ましい。この範囲にすることでCNT純度の高いスライバー状CNTを得ることができる。炭素源が25重量%未満では、生成したCNTの濃度が小さいためにCNT同士が自己凝集しにくくなるので好ましくない。また50重量%超では、ススなどの副生成物の生成量が増え、CNTの純度が低下しやすいので好ましくない。   A method of increasing the carbon source concentration in the carrier gas unit volume is also effective. Specifically, it is preferable that the weight ratio of carbon atoms is 25 to 50% by weight among all the raw materials including the carrier gas. By setting it within this range, sliver-like CNTs with high CNT purity can be obtained. If the carbon source is less than 25% by weight, the concentration of the produced CNTs is small, and CNTs are difficult to self-aggregate. If it exceeds 50% by weight, the amount of by-products such as soot increases, and the purity of the CNT tends to decrease.

電気炉1の温度は600〜1200℃であることが好ましい。この温度範囲にすることによって触媒金属を微粒子化でき、さらにはCNTを生成しやすい状態に炭素源を分解することができるので、CNTを高純度かつ高効率で得ることができる。1200℃超では分解と生成の割合が分解の方へ偏ってしまうため収率が低下するので好ましくない。一方600℃未満でもCNTは合成できるが、CNTの収量が低下したり、CNTが内壁に付着しやすくなるなどの弊害が発生するので好ましくない。   The temperature of the electric furnace 1 is preferably 600 to 1200 ° C. By setting the temperature within this range, the catalyst metal can be made fine particles, and further, the carbon source can be decomposed into a state where CNTs are easily generated, so that CNTs can be obtained with high purity and high efficiency. If it exceeds 1200 ° C., the ratio of decomposition and generation tends to be biased toward decomposition, which is not preferable because the yield decreases. On the other hand, CNT can be synthesized even at a temperature lower than 600 ° C., but this is not preferable because adverse effects such as a decrease in the yield of CNT and an easy attachment of CNT to the inner wall occur.

以下に、本発明のCNT連続繊維の製造例を具体的に説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定されるものではない。   Below, the manufacture example of the CNT continuous fiber of this invention is demonstrated concretely. However, the present invention is not limited to the following examples.

<CNT連続繊維の形成性>
CNT連続繊維は形成開始直後10〜40cmで不具合が生じ易いことを加味し、CNT連続繊維を連続で50cm以上形成できるかどうかで形成性を評価した。CNT連続繊維を連続で50cm以上形成できる場合を○、できない場合を×として表に示した。
<Formability of CNT continuous fiber>
Considering that CNT continuous fibers are likely to be defective at 10 to 40 cm immediately after the start of formation, the formability was evaluated by whether or not CNT continuous fibers could be formed continuously by 50 cm or more. The case where a continuous CNT continuous fiber of 50 cm or more can be formed is shown in the table as ○, and the case where it cannot be formed as x.

<CNT連続繊維の嵩密度>
CNT連続繊維の嵩密度を測定した。嵩密度が0.1g/cm以上である場合、巻き取りに耐えうる引っ張り強度を得ることができる。
<Bulk density of CNT continuous fiber>
The bulk density of the CNT continuous fiber was measured. When the bulk density is 0.1 g / cm 3 or more, a tensile strength that can withstand winding can be obtained.

なお、嵩密度については、糸の初端から10cm〜11cm部分の1cmの糸、中央部分の1cmの糸、終端から10cm〜11cm部分の1cmの糸を分取し、光学顕微鏡により3箇所の直径、重量をそれぞれ測定し、それらから各箇所での嵩密度を算出するとともに、3箇所での平均を算出しそれを表に示した。また、直径および嵩密度のばらつきがいずれも平均値の±20%以内である場合に○とし、そうでない場合を×として表に示した。   Regarding the bulk density, a 1 cm yarn of 10 cm to 11 cm from the first end of the yarn, a 1 cm yarn of the central portion, and a 1 cm yarn of 10 cm to 11 cm from the end are separated, and three diameters are obtained using an optical microscope. The weights were measured, the bulk density at each location was calculated therefrom, and the average at 3 locations was calculated and shown in the table. In addition, when the variation in diameter and bulk density is within ± 20% of the average value, it is indicated as ◯, and when not, it is indicated as x.

<実施例1>
図1〜4に示すCNT連続繊維製造装置を組み立て、キャリアガスとなる水素を合計0.4L/分、触媒のフェロセン4w%と添加剤のチオフェン2w%を含むデカリン溶液を20μL/分、第2炭素源のエチレンガスを3mL/分を、電気炉1により1200℃に設定された反応管2内に投入した。このときキャリアガスを含む全投入原料中に占める炭素原子の重量比率は32.2w%である。また、反応管2の内径を52mm、筒状体12の内径を14mmとし、両者の内径の比を0.27とした。なお、この筒状体12にはロート形状のものを用いた。この条件にて装置を運転したところ、直径約7mmのスライバー状CNTが反応炉内部で生成することが、内部確認用の反射鏡を通じて確認できた。
<Example 1>
1 to 4, a total of 0.4 L / min of hydrogen as a carrier gas, 20 μL / min of a decalin solution containing 4 w% of catalyst ferrocene and 2 w% of thiophene as an additive, 3 mL / min of ethylene gas as a carbon source was charged into the reaction tube 2 set at 1200 ° C. by the electric furnace 1. At this time, the weight ratio of carbon atoms in all the input materials including the carrier gas is 32.2 w%. The inner diameter of the reaction tube 2 was 52 mm, the inner diameter of the cylindrical body 12 was 14 mm, and the ratio between the inner diameters was 0.27. The cylindrical body 12 was a funnel shape. When the apparatus was operated under these conditions, it was confirmed that a sliver-like CNT having a diameter of about 7 mm was generated inside the reaction furnace through a reflecting mirror for confirming the inside.

次に、ベルトニップツイスターの送り速度と巻取部における巻取速度が2.5m/分となるように設定し、直径1mm、長さ60cm、約20℃のステンレス棒を、ベルトニップツイスターの下側から筒状体12を介して管状反応炉内部へ向かって挿入し、スライバー状CNTを棒の先端に付着させた。そしてスライバー状CNTが絡みついたステンレス棒を、回転しているベルトニップツイスターに挟持させて、下流側へ2.5m/分の送り速度で引き抜くことで、スライバー状CNTを筒状体12の内部を通過させるとともにベルトニップツイスターの交点へと誘導し、CNT連続繊維を形成した。ついで、CNT連続繊維をステンレス棒から取り外して、CNT連続繊維の先端をサクションガン80に吸い込ませた。その後、サクションガン80の吸い口をゆっくりと巻き取り用ボビンへと誘導し、CNT連続繊維をボビンに巻き取らせてからサクションガンを取り外し、CNT連続繊維の連続巻き取りを行った。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。   Next, the belt nip twister feed speed and the winding speed at the winding section are set to 2.5 m / min, and a stainless steel rod having a diameter of 1 mm, a length of 60 cm, and about 20 ° C. is placed under the belt nip twister. The tube was inserted from the side into the tubular reactor through the cylindrical body 12, and sliver-like CNTs were attached to the tip of the rod. The sliver-like CNTs are entangled with the rotating belt nip twister and pulled downstream at a feed rate of 2.5 m / min. The CNT continuous fiber was formed as it was passed through and guided to the intersection of the belt nip twister. Next, the CNT continuous fiber was removed from the stainless steel rod, and the tip of the CNT continuous fiber was sucked into the suction gun 80. Thereafter, the suction port of the suction gun 80 was slowly guided to the winding bobbin, the CNT continuous fiber was wound on the bobbin, the suction gun was removed, and the continuous winding of the CNT continuous fiber was performed. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer.

このCNT連続繊維の直径の平均値は40μm、嵩密度の平均値は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。 The average value of the diameter of this CNT continuous fiber was 40 μm, and the average value of the bulk density was 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central portion, and the terminal end were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例2>
筒状体12に関して、図2の12のような漏斗形状のものではなく、図5の12のような段差がある筒状体(内径14mm)に変更した以外は、実施例1と同様にした。その結果、CNT連続繊維を4分間以上、すなわち10m以上を連続して巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は40μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 2>
The cylindrical body 12 was not the funnel shape as shown in 12 of FIG. 2, but was changed to a cylindrical body (inner diameter 14 mm) having a step as shown in 12 of FIG. . As a result, the CNT continuous fiber could be continuously wound up for 4 minutes or more, that is, 10 m or more. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 40 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例3>
キャリアガスとなる水素を合計0.4L/分から0.7L/分に増やし、デカリン溶液の投入量を20μL/分から30μL/分へ増やした以外は、実施例1と同様の操作を行った。なお、キャリアガスを含む全投入原料中に占める炭素原子の重量比率は28.1w%であった。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は40μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 3>
The same operation as in Example 1 was performed except that the amount of hydrogen as the carrier gas was increased from 0.4 L / min to 0.7 L / min and the input amount of the decalin solution was increased from 20 μL / min to 30 μL / min. In addition, the weight ratio of the carbon atoms in all the input materials including the carrier gas was 28.1 w%. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 40 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例4>
筒状体12の内径を14mmから26mmに変え、筒状体12と反応管2の内径の比を0.5に変えた以外は、実施例1と同様の操作を行った。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は40μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 4>
The same operation as in Example 1 was performed except that the inner diameter of the cylindrical body 12 was changed from 14 mm to 26 mm and the ratio of the inner diameter of the cylindrical body 12 and the reaction tube 2 was changed to 0.5. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 40 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例5>
筒状体12の内径を14mmから6mmに変え、筒状体12と反応管2の内径の比を0.12に変えた以外は、実施例1と同様の操作を行った。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は10μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 5>
The same operation as in Example 1 was performed except that the inner diameter of the cylindrical body 12 was changed from 14 mm to 6 mm and the ratio of the inner diameter of the cylindrical body 12 and the reaction tube 2 was changed to 0.12. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 10 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例6>
ベルトニップツイスター410のベルトの数を片側1本から、片側2本、すなわち合計4本に変更した以外は、実施例1と同様の操作を行った。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は30μm、嵩密度(平均値)は0.4g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 6>
The same operation as in Example 1 was performed except that the number of belts of the belt nip twister 410 was changed from one on one side to two on one side, that is, a total of four. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer. The obtained CNT continuous fiber had a diameter (average value) of 30 μm and a bulk density (average value) of 0.4 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例7>
反応管2の内径を52mmから105mmにして筒状体12と反応管2の内径の比を0.13に変え、キャリアガス流量を0.4L/minから1.6L/minに、液体原料の投入量を20μL/minから80μL/minに変えた以外は、実施例1と同様の操作を行った。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上、安定に巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は60μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%の範囲内であり、CNT連続繊維は均一であった。
<Example 7>
The inner diameter of the reaction tube 2 was changed from 52 mm to 105 mm, the ratio of the inner diameter of the cylindrical body 12 and the reaction tube 2 was changed to 0.13, the carrier gas flow rate was changed from 0.4 L / min to 1.6 L / min, The same operation as in Example 1 was performed except that the input amount was changed from 20 μL / min to 80 μL / min. As a result, the CNT continuous fiber could be wound up stably for 4 minutes or longer, that is, 10 m or longer. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 60 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all within an average value of ± 20%, and the CNT continuous fiber was uniform.

<実施例8>
図6のように排気フードを設けなかった以外は、実施例1と同様にした。その結果、CNT連続繊維を連続して4分以上、すなわち10m以上巻き取ることができた。得られたCNT連続繊維の直径(平均値)は40μm、嵩密度(平均値)は0.5g/cmであった。初端、中央部、終端部での直径および嵩密度はいずれも平均値±20%であり、他の実施例よりはムラがあったもののほぼ均一はCNT連続繊維が得られた。
<Example 8>
Example 1 was performed except that the exhaust hood was not provided as shown in FIG. As a result, the CNT continuous fiber could be continuously wound up for 4 minutes or more, that is, 10 m or more. The obtained CNT continuous fibers had a diameter (average value) of 40 μm and a bulk density (average value) of 0.5 g / cm 3 . The diameter and bulk density at the initial end, the central part, and the terminal part were all an average value of ± 20%, and although they were more uneven than other examples, CNT continuous fibers were obtained almost uniformly.

<比較例1>
ベルトニップツイスター410を取り外した以外は実施例1と同様の操作を行い、スライバー状CNTを直接、巻き取り用ボビンに巻き取った。その結果、スライバー状CNTを連続して4分以上、すなわち10m分相当以上、安定に巻き取ることができたが、ボビン表面でスライバー状CNT同士が付着し、ボビンからスライバー状CNTを解き取ることはできず、CNT連続繊維を得ることはできなかった。
<Comparative Example 1>
The same operation as in Example 1 was performed except that the belt nip twister 410 was removed, and the sliver-like CNT was directly wound on the winding bobbin. As a result, the sliver-like CNTs were continuously wound up stably for 4 minutes or more, that is, equivalent to 10 m or more. The CNT continuous fiber could not be obtained.

<比較例2>
筒状体12の内径を14mmから52mmに変え、筒状体12と反応管2の内径の比を1.0に変えた以外は実施例1と同様の操作を行った。その結果、スライバー状CNTを安定して生成できたが、ベルトニップツイスターの交点から位置ズレを起こしたために、長さ50cm以上のCNT連続繊維は得られなかった。
<Comparative example 2>
The same operation as in Example 1 was performed except that the inner diameter of the cylindrical body 12 was changed from 14 mm to 52 mm and the ratio of the inner diameter of the cylindrical body 12 and the reaction tube 2 was changed to 1.0. As a result, although sliver-like CNTs could be stably generated, a CNT continuous fiber having a length of 50 cm or more could not be obtained because a positional shift occurred from the intersection of the belt nip twister.

<比較例3>
筒状体12の内径を14mmから32mmに変え、筒状体12と反応管2の内径の比を0.62に変えた以外は、実施例1と同様の操作を行った。スライバー状CNTを安定して生成できたが、ベルトニップツイスターの交点から位置ズレを起こしたために長さ50cm以上のCNT連続繊維は得られなかった。
<Comparative Example 3>
The same operation as in Example 1 was performed except that the inner diameter of the cylindrical body 12 was changed from 14 mm to 32 mm and the ratio of the inner diameter of the cylindrical body 12 and the reaction tube 2 was changed to 0.62. Although sliver-like CNTs could be stably generated, a CNT continuous fiber having a length of 50 cm or more could not be obtained because a positional shift occurred from the intersection of belt nip twisters.

<比較例4>
筒状体12の内径を14mmから3mmに変え、筒状体12と反応管2の内径との比を0.058とした以外は、実施例1と同様の操作を行った。スライバー状CNTを安定して生成できたが、筒状体の上部の入り口でスライバー状CNTが詰まってしまい、長さ50cm以上のCNT連続繊維は得られなかった。
<Comparative example 4>
The same operation as in Example 1 was performed except that the inner diameter of the cylindrical body 12 was changed from 14 mm to 3 mm and the ratio of the cylindrical body 12 and the inner diameter of the reaction tube 2 was set to 0.058. Although sliver-like CNTs could be stably produced, sliver-like CNTs were clogged at the upper entrance of the cylindrical body, and continuous CNT fibers having a length of 50 cm or more could not be obtained.

<比較例5>
図7に示すように、ニップベルトツイスターをリングツイスターに変えた以外は、実施例1と同様の操作を行った。CNT連続繊維を10m以上巻き取ることができたが、嵩密度の平均値が0.05g/cmであり、巻き取った糸を解き取る際に糸切れが多発した。
<Comparative Example 5>
As shown in FIG. 7, the same operation as in Example 1 was performed except that the nip belt twister was changed to a ring twister. Although the CNT continuous fiber could be wound up by 10 m or more, the average value of the bulk density was 0.05 g / cm 3 , and many yarn breaks occurred when the wound yarn was unwound.


1 電気炉
2 反応管
3 スプレーノズル
4 混合溶液
5 マイクロフィーダー
6 キャリアガス流量計
7 キャリアガス
8 フランジ
9 パッキンシート
10 分離箱
11 締結リング
12 筒状体
13 Oリング
14 排気口
15 排気管
16 排気フード
17 ガイド
18 大気
19 スライダ筒
20 大気孔
21 内視カメラ
22 鏡
23 太さムラセンサー
30 糸かけ棒
31 圧力監視用側孔
41A、41B ベルト
42A、42B 駆動プーリ
43A、43B テンションプーリ
44A、44B ブラケット
45A、45B 軸
46A、46B ブラケット
47 支点軸
48 エアシリンダ
49A 上流ガイド
49B 下流ガイド
51 ボビン
52 架台
53 ボビンホルダー
54 制御装置
55 糸道ガイド
56 非接触巻厚センサー
61 延伸ペアロール
62 リングレール
63 ボビン
200 反応部
300 分離部
400 加撚部
410 ベルトニップツイスター
500 巻取部
600 リングツイスター
F CNT連続繊維
NP ニップポイント

1 Electric furnace
2 reaction tubes
3 Spray nozzle
4 Mixed solution
5 Micro feeder
6 Carrier gas flow meter
7 Carrier gas
8 Flange 9 Packing sheet 10 Separation box
11 Fastening ring
12 Tubular body 13 O-ring 14 Exhaust port 15 Exhaust pipe 16 Exhaust hood
17 Guide
18 Atmosphere 19 Slider cylinder 20 Atmosphere hole 21 Internal camera 22 Mirror 23 Thickness unevenness sensor 30 Yarn stick 31 Pressure monitoring side holes 41A, 41B Belts 42A, 42B Drive pulley
43A, 43B Tension pulleys 44A, 44B Brackets 45A, 45B Shafts 46A, 46B Bracket 47 Support shaft 48 Air cylinder 49A Upstream guide 49B Downstream guide 51 Bobbin
52 Stand 53 Bobbin holder 54 Controller 55 Thread guide 56 Non-contact roll thickness sensor 61 Stretched pair roll 62 Ring rail 63 Bobbin 200 Reaction unit 300 Separating unit 400 Twisting unit 410 Belt nip twister 500 Winding unit 600 Ring twister F CNT continuous Fiber NP Nip point

Claims (5)

流動気相CVD法によって炭素源と触媒とキャリアガスとから連続的にカーボンナノチューブを合成する管状反応炉と、該管状反応炉の下流側に設けられた、内径が、管状反応炉の内径の0.1〜0.5倍の範囲の筒状体と、該筒状体の下流側に設けられた、管状反応炉内から連続的に引き出したカーボンナノチューブのスライバーを挟持しながら加撚してカーボンナノチューブ連続繊維を送り出す一対のベルトを備えたベルトニップツイスターと、得られたカーボンナノチューブ連続繊維を連続的に巻き取る巻取装置とを備えたカーボンナノチューブ連続繊維の製造装置。   A tubular reaction furnace for continuously synthesizing carbon nanotubes from a carbon source, a catalyst, and a carrier gas by a fluidized gas phase CVD method, and an inner diameter provided on the downstream side of the tubular reaction furnace is 0 of the inner diameter of the tubular reaction furnace. .1 to 0.5 times the range of the tubular body and carbon nanotube sliver continuously drawn from the tubular reactor provided downstream of the tubular body, and twisted while sandwiching carbon An apparatus for producing continuous carbon nanotube fibers, comprising: a belt nip twister including a pair of belts for feeding the continuous nanotube fibers; and a winding device for continuously winding the obtained continuous carbon nanotube fibers. 前記筒状体の下流側端部に反応炉から排出されるガスの排気フードを備え、該排気フードは、大気の導入口と、導入される大気と前記ガスとを併せて吸引排気する手段を備えている、請求項1に記載のカーボンナノチューブ連続繊維製造装置。   An exhaust hood for gas exhausted from the reaction furnace is provided at the downstream end of the cylindrical body, and the exhaust hood includes an air inlet and means for sucking and exhausting the introduced air and the gas together. The carbon nanotube continuous fiber manufacturing apparatus of Claim 1 provided. 請求項1または2に記載の装置を用いるカーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。   The manufacturing method of the carbon nanotube continuous fiber using the apparatus of Claim 1 or 2. 管状反応炉内部の温度よりも低温になっている糸かけ棒の端部を管状反応炉に挿入し、管状反応炉内部のスライバー状カーボンナノチューブに接触させ、かつ、該糸かけ棒の他の部分をベルトツイスターで挟持しながら回転および送り出しすることによって、スライバー状カーボンナノチューブをベルトニップツイスターへ誘導してカーボンナノチューブ連続繊維の製造を開始する、請求項3に記載のカーボンナノチューブ連続繊維の製造方法。   Insert the end of the threading rod, which is lower than the temperature inside the tubular reactor, into the tubular reactor, contact the sliver-like carbon nanotube inside the tubular reactor, and the other part of the threading rod The carbon nanotube continuous fiber manufacturing method according to claim 3, wherein the sliver-like carbon nanotubes are guided to the belt nip twister by rotating and feeding them while being held by a belt twister to start manufacturing the carbon nanotube continuous fibers. 請求項1または2に記載の製造装置または請求項3または4に記載の製造方法によって得られたカーボンナノチューブ連続繊維。   A carbon nanotube continuous fiber obtained by the production apparatus according to claim 1 or 2 or the production method according to claim 3 or 4.
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